Флюиды на учете. Анализ вулканических извержений становится точнее.

— Из существующих естественных геологических объектов быстрее всех меняются вулканы, — сказал И.Кулаков. — В других структурах внутри Земли процессы протекают в масштабах миллионов и даже миллиардов лет. А в вулканах значительные изменения могут произойти в течение лет, дней и даже часов. Изучая эти процессы, мы сможем понять, как устроено питание магматической системы, и выявить причины извержений. Эти знания помогут нам точнее прогнозировать вулканические катастрофы.

Для изучения глубинного строения Земли применяется пассивная сейсмическая томография — метод, который использует землетрясения в качестве источника сейсмических волн, проходящих сквозь недра и накапливающих информацию об их строении. Задача ученых — расшифровать эту информацию и построить трехмерные модели распределения сейсмических скоростей, которые могут помочь решить различные геологические вопросы. 

Обычно сейсмические сети работают достаточно долго, что дает возможность выявлять не только глубинные структуры, но и отслеживать изменение их свойств во времени. Вместе с тем проблема пассивной томографии заключается в том, что землетрясения случаются крайне неравномерно в пространстве и во времени. Без специального отбора данных сравнение моделей, полученных в разные интервалы времени, будет отражать, скорее, изменение распределения сейсмических лучей, чем реальные вариации физических параметров в Земле. 

Мы предложили новый метод обработки пассивных данных, позволяющий анализировать парные землетрясения и на их основе создавать идентичные наборы данных для различных интервалов времени. В этом случае становится возможным выявлять достаточно малые вариации сейсмических свойств в Земле. 

Метод был применен для анализа многолетних сейсмических данных, собранных на двух крупных действующих вулканах — в Галерасе (Колумбия) и Спурре (Аляска). Галерас — один из наиболее активных вулканов Колумбии и всей Южной Америки. За последние 500 лет, прошедших с момента завоевания этого района испанцами, наблюдались более сотни его извержений. В последний раз Галерас  “бодрствовал” с 2002-го по 2011 годы. 

Анализируя сейсмоданные, присланные Геофизической службой Колумбии, сотрудники ИНГГ СО РАН выяснили, что в период максимальной активности вулкана непосредственно под ним сформировалось тело грибообразной формы. Его верхняя часть представляет собой магматическую камеру (большой резервуар частично расплавленной породы под поверхностью Земли), а нижняя — питающий канал, через который магма поступает в камеру из более глубоких источников. Ученые ИНГГ СО РАН отметили интересную закономерность: когда извержения Галераса были менее интенсивными, грибообразное тело становилось меньше или исчезало вообще.

— Причина того, что мы можем видеть достаточно быстрые изменения структуры внутри вулкана, связана с перемещением под ним флюидов — жидких и газообразных легкоподвижных веществ, насыщающих магму, — рассказал Иван Кулаков. — Сейсмоволны весьма чувствительны к наличию флюидов в земле, и наблюдаемые временные изменения сейсмических скоростей как раз и являются отражением этого процесса. 

Исследования новосибирских специалистов показали, что приток перегретых веществ приводит к быстрому плавлению магмы. При ее насыщении водой, углекислотой и прочими флюидами давление в камере может возрасти, и в какой-то момент создаются условия для взрыва. По схожему принципу теплая газировка вырывается из открываемой бутылки. Как только поступление флюидов прекращается, магматический очаг затвердевает, и в сейсмической модели его уже не видно. 

Результаты этого исследования были опубликованы в престижном журнале Geophysical Research Letters.

Новосибирские ученые также проанализировали данные, полученные на Спурре, крупнейшем из действующих вулканов Аляски. В 1953-м и 1992 годах на нем произошли мощные взрывные извержения. Вся активность этого вулкана была зафиксирована не на главном конусе, а в районе бокового кратера, расположенного достаточно далеко от вершины. 

В 2002 году Спурр вновь проснулся. На этот раз основная тряска и выделение газов происходили именно в районе главного купола. Поскольку эта часть вулкана была “запечатана” в течение многих тысячелетий, ученые опасались катастрофического по своим масштабам выброса. Однако к 2006 году Спурр затих, так и не реализовав свой шанс на извержение.

В результате томографических исследований ученые обнаружили под вулканом магматическую камеру, верхняя граница которой до 2002 года проходила на глубине 5 км от поверхности. В процессе активизации Спурра эта сейсмическая аномалия поднялась на 2 км, что сопровождалось большим количеством микроземлетрясений. 

Анализируя полученные томографические модели, ученые ИНГГ СО РАН смогли объяснить такое быстрое изменение в строении камеры.

— Причиной может быть выброс перегретой воды из очага, — считает И.Кулаков. — Под большим давлением она проникла в хрупкую верхнюю часть земной коры. Из-за деком прессии на глубине в 2 км вода превратилась в пар и продолжила подъем уже в газообразном состоянии. Это привело к разрыву пород и образованию все новых и новых трещин. Возникший при этом “хруст” и был зафиксирован приборами в виде тысяч микроземлетрясений.

В результате этого процесса прочность коры ослабла, и магма имела возможность легко прорваться на поверхность. Однако в 2002-2006 годах давление в очаге оказалось недостаточным для извержения. По словам И.Кулакова, несколько десятилетий спустя, когда магма в камере вновь насытится активными флюидами, вулкан сможет сделать еще одну попытку извергнуться через основную вершину — по проторенной в начале ХХI века дорожке. 

Результаты этой работы также получили международное признание и были опубликованы в журнале Scientific Reports, входящем в группу Nature.